一種場效應晶體管的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種場效應晶體管的制備方法，場效應晶體管從下到上依次為襯底、柵電極、介電層、半導體層、源電極和漏電極，封裝層。本發明利用蟲膠具有粘著性的特點，對介電材料進行物理剝離，從而形成穩定幾個分子層厚度的介電層，減少了介電層的溶液法制備步驟，有效杜絕了有毒試劑的使用，并提高了穩定性。同時將蟲膠作為襯底和封裝層，利用其良好的致密性和抗紫外線抗輻射等特點，阻隔水氧對整個器件的侵蝕以及紫外線和電磁輻射對器件的干擾，從而提高整個器件的穩定性和壽命。該場效應晶體管采用一種可剝離介電層以及生物材料作為襯底和封裝，更加容易制備，成本更低，將場效應晶體管應用范圍拓寬，適合于可穿戴式設備與生物電子領域。適宜大規模量產。
【專利說明】
一種場效應晶體管的制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于電子技術領域，特別涉及一種場效應晶體管的制備方法。
【背景技術】
[0002]場效應晶體管的性能及制作技術日益發展，很多新材料的迀移率超過了非晶硅，并且被廣泛應用于電子紙、傳感器身份識別卡以及智能卡等記憶器件等方面。與傳統的硅基MOSFET相比，新材料場效應晶體管的器件制備過程以低溫沉積或溶液(噴黑打印、旋涂、滴注等)等簡單的工藝代替了傳統的高溫真空沉積等方法制作器件的復雜過程。此外，新材料本身所具備質輕、價廉、具有柔性、制備方法簡單、種類多、性能可通過分子設計進行調整等優勢。因此，新型半導體材料無論從材料合成以及器件的制備等方面具有非常大的降低成本的潛力
[0003]然而現有的場效應晶體管能在大氣環境中穩定工作的，多為硅基場效應管，大量使用時會對環境造成污染，制備過程復雜，造價昂貴，且不易實現柔性、大面積器件；同時，介電層作為場效應管重要組成部分，現有溶液法制備過程中，大量使用了氯苯、甲苯、氯仿以及苯甲醚等有毒試劑，采用水、醇溶劑體系的介電層材料是綠色生產的首要因素，然而現有的溶于水或者醇中的介電層材料，存在大氣環境下有電學性能不穩定的缺點。
【發明內容】
[0004]本發明目的在于提供一種制備工藝簡單，生產成本低廉，綠色環保，可在大氣環境下穩定，尚壽命的一種場效應晶體管的制備方法。
[0005]本發明的技術方案為:
[0006]—種場效應晶體管的制備方法，該場效應晶體管從下到上依次為襯底、柵電極、介電層、半導體層、源電極和漏電極、封裝層，所述介電層為二維可剝離的介電材料，所述柵電極、源電極和漏電極為金屬納米線復合材料，所述二維可剝離的介電材料為絲素蛋白、云母或六方氮化硼中的一種，所述金屬納米線復合材料由以下重量百分比的材料構成:金屬納米線40%?80%，蟲膠10%?30%，水溶性粘合劑10%?30% ；
[0007]制備方法如下:
[0008]①先對二維可剝離的介電材料進行徹底的清洗，清洗后干燥；
[0009]②在介電材料表面涂覆金屬納米線復合材料作為柵電極，并對其進行固化；
[0010]③在柵電極上面制備蟲膠層，并迅速提高器件加熱溫度，使得蟲膠層熱熔狀態，使其與柵電極和介電材料緊密粘合在一起，冷卻，使蟲膠層作為襯底；
[0011]④對襯底進行機械剝離，將襯底，柵電極以及介電材料剝離下來，從而在柵電極上面形成介電層；
[0012]⑤在介電層上制備半導體層；
[0013]⑥在半導體層上制備源電極和漏電極；
[0014]⑦在源電極和漏電極上面制備蟲膠層，作為封裝層；
[0015]⑧迅速提高器件加熱溫度，使得蟲膠熱熔狀態，使封裝層的蟲膠與襯底的蟲膠熱熔到在一起，然后加熱蟲膠到熱聚合溫度，使得蟲膠發生熱聚合反應，進而固化為一體，起到封裝作用；
[0016]進一步地，步驟③、⑦中，蟲膠層采用旋涂法或滴涂法制備，步驟③、⑧中，蟲膠熱熔狀態加熱溫度為70°C?90°C，步驟⑧中，蟲膠熱聚合為120°C?150°C，加熱時間為0.5h?Ih0
[0017]進一步地，步驟②和⑥中，柵電極、源電極、漏電極是通過絲網印刷或打印方法制備，所述步驟⑤中，所述半導體層是通過等離子體增強的化學氣相沉積、熱氧化、旋涂、真空蒸鍍、輥涂、滴膜、壓印、印刷或噴涂中的一種方法制備。
[0018]進一步地，介電層厚度為5nm?10nm，
[0019]進一步地，所述蟲膠為脫蠟蟲膠。
[0020]進一步地，所述金屬納米線材料為鐵納米線、銅納米線、銀納米線、金納米線、招納米線、鎳納米線、鈷納米線、猛納米線、鎘納米線、銦納米線、錫納米線、媽納米線或鈾納米線中的一種或多種。
[0021]進一步地，所述的水溶性粘合劑為明膠或聚乙烯醇中的一種或兩種。
[0022]進一步地，所述半導體層為氧化鋅、氧化錫、碳納米管、氧化石墨烯、聚3-已基噻吩，6，13_雙(三異丙基硅烷基乙炔基)并五苯或含硅氧烷的聚異戊二烯衍生物中的一種，所述半導體層厚度為30nm?lOOnm。
[0023]本發明中，引入蟲膠層，因其獨特的材料特性，在常溫下為固體，受熱時一般在75°(:左右開始熔化，120°C左右成為流體，如在此溫度下繼續受熱，它的聚合反應很慢。溫度繼續升高時，隨著受熱時間的延長，聚合反應迅速進行，蟲膠的平均分子量不斷增大，粘度逐漸增加，軟化點逐步升高，顏色加深，熱硬化時間隨之不斷縮短，熱乙醇不溶物不斷增加，逐漸變稠失去流動性，經橡膠狀階段，最后變成在溶劑中不溶解、加熱也不熔化的角質狀三維網狀聚合物。基于此種特性，當采用蟲膠作為襯底和封裝層時，可將蟲膠加熱至熔化狀態，隨后迅速加熱，使其發生熱聚合，快速固化。從而起到很好的徹底和封裝的效果。
[0024]與現有技術相比，本發明的優點在于:
[0025]—、該場效應晶體管的二維可剝離的介電材料，通過蟲膠粘著性剝離而形成穩定幾個分子層厚度的介電層，減少了介電層的溶液法制備，從而有效杜絕了氯苯、甲苯、氯仿以及苯甲醚等有毒試劑的使用，同時減少了傳統二維材料剝離后轉移的過程，減少了介電層的損壞并提高了穩定性；
[0026]二、機械剝離的介電層，由于其只有幾個分子層的厚度，從而有效的減小了器件的閾值電壓，提升了器件的性能；
[0027]三、通過使用蟲膠作為襯底和封裝層，蟲膠出色的致密性和防紫外線防輻射的優點，既能使整個器件杜絕了空氣中水氧的影響，又可以防止紫外線和電磁輻射等對器件的干擾，從而提高整個器件的穩定性和壽命；
[0028]四、蟲膠來源廣泛，易溶于乙醇，便于溶液法制備蟲膠薄膜，成本低廉，制備工藝簡單，同時基于其獨特的熱熔與熱聚合特性，可以很方便的控制蟲膠襯底和蟲膠封裝層進行融合，并且實現固化封裝，易于實施，方法可靠；
[0029]五、該場效應晶體管的柵電極、源電極和漏電極采用的是含有10%?30%的蟲膠和10%?30 %水溶性粘合劑的金屬納米線，一方面有利于金屬納米線涂覆在介電層上，另一方面水溶性粘合劑可以促進金屬納米線與二維介電材料接觸，蟲膠可以使得金屬納米線與后續的蟲膠襯底熔為一體，使得蟲膠襯底、二維介電材料、金屬納米線三者結為一體，進而有利于襯底對介電層的機械剝離。制備采用的是絲網印刷或打印方法，這種方法相對于傳統的化學氣相沉積、熱氧化和真空蒸鍍方法，具有節能環保，易于大規模量產等優點。
[0030]六、相對與傳統硅基場效應晶體管，本發明可在大氣環境下持續穩定工作，且所需材料、制備過程綠色無污染。
【附圖說明】
[0031 ]圖1是本發明的結構示意圖；
[0032]圖中:1-襯底，2-柵電極，3-介電層，4-半導體層，5-漏電極，6_封裝層，7_源電極；
[0033]圖2是實施例1制備的器件的壽命測試曲線。
[0034]圖3是實施例6制備的器件的壽命測試曲線。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0036]參照圖1，本發明的一種場效應晶體管的制備方法，包括襯底1、柵電極2、介電層3、半導體層4、漏電極5、封裝層6、源電極7，所述柵電極2設置于襯底I之上，介電層3設置于柵電極2之上，半導體層4設置于介電層3之上，漏電極5和源電極7分別設置于半導體層5之上，封裝層6設置于漏電極5和源電極7之上，覆蓋整個場效應晶體管器件。
[0037]①先對二維可剝離的介電材料進行徹底的清洗，清洗后干燥；
[0038]②在介電材料表面涂覆金屬納米線復合材料作為柵電極，并對其進行固化；
[0039]③在柵電極上面制備蟲膠層，并迅速提高器件加熱溫度，使得蟲膠層熱熔狀態，使其與柵電極和介電材料緊密粘合在一起，冷卻，使蟲膠層作為襯底；
[0040]④對襯底進行機械剝離，將襯底，柵電極以及介電材料剝離下來，從而在柵電極上面形成介電層；
[0041]⑤在介電層上制備半導體層；
[0042]⑥在半導體層上制備源電極和漏電極；
[0043]⑦在源電極和漏電極上面制備蟲膠層，作為封裝層；
[0044]⑧迅速提高器件加熱溫度，使得蟲膠熱熔狀態，使封裝層的蟲膠與襯底的蟲膠熱熔到在一起，然后加熱蟲膠到熱聚合溫度，使得蟲膠發生熱聚合反應，進而固化為一體，起到封裝作用；
[0045]以下是本發明的具體實施例:
[0046]實施例1:
[0047]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底為蟲膠，柵電極、源電極和漏電極均為銀納米線，加入了 10%的蟲膠和30%的水溶性粘合劑明膠，介電層采用云母片，厚度為5nm，半導體層為氧化鋅，厚度為30nm，封裝層為蟲膠。用該結構可實現高壽命高穩定性的場效應晶體管。
[0048]制備方法如下:
[0049]①先對云母片進行徹底的清洗，清洗后干燥；
[0050]②在云母表面采用絲網印刷技術制備銀納米線柵電極2，并對其進行固化；
[0051]③在所述柵電極2上面制備蟲膠層，并迅速提高器件加熱溫度到70°C?90°C，使得蟲膠層熱熔狀態，使其與柵電極和云母片緊密粘合在一起，冷卻，使蟲膠層作為襯底I;
[0052]④對所述襯底I進行機械剝離，將襯底I，柵電極2以及云母片剝離下來，從而在柵電極2上面形成一層幾個分子層厚的云母介電層3;
[0053]⑤在介電層3上采用旋涂方法制備氧化鋅半導體層4;
[0054]⑥在半導體層4上采用絲網印刷技術制備銀納米線源電極5和銀納米線漏電極7;
[0055]⑦在源電極5和漏電極7上面制備蟲膠層，作為封裝層6;
[0056]⑧迅速提高器件加熱溫度到70°C?90°C，使得蟲膠熱熔狀態，使封裝層的蟲膠與襯底的蟲膠熱熔到在一起，然后加熱蟲膠到熱聚合溫度120°C?150°C，使得蟲膠發生熱聚合反應，進而固化為一體，起到封裝作用。
[0057]實施例2:
[0058]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底為蟲膠，柵電極、源電極和漏電極均為鋁納米線，加入了30%的蟲膠和30%的水溶性粘合劑聚乙烯醇，介電層采用絲素蛋白片，厚度為8nm，半導體層為氧化石墨烯，厚度為30nm，封裝層為蟲膠。用該結構可實現尚壽命尚穩定性的場效應晶體管。
[0059]制備方法如同實施例1.
[0060]實施例3:
[0061]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底為蟲膠，柵電極、源電極和漏電極均為金納米線，加入了30%的蟲膠和10%的水溶性粘合劑明膠，介電層采用六方氮化硼，厚度為10nm，半導體層為碳納米管，厚度為50nm，封裝層為蟲膠。用該結構可實現尚壽命尚穩定性的場效應晶體管。
[0062]制備方法如同實施例1.
[0063]實施例4:
[0064]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為
[0065]:襯底為蟲膠，柵電極、源電極和漏電極均為銅納米線，加入了10%的蟲膠和30%的水溶性粘合劑明膠，介電層采用云母片，厚度為6nm，半導體層為氧化錫，厚度為30nm，封裝層為蟲膠。用該結構可實現高壽命高穩定性的場效應晶體管。
[0066]制備方法如同實施例1.
[0067]實施例5:
[0068]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底為蟲膠，柵電極、源電極和漏電極均為鐵納米線，加入了20%的蟲膠和20%的水溶性粘合劑明膠，介電層采用絲素蛋白片，厚度為8nm，半導體層為6，13-雙(三異丙基娃燒基乙炔基)并五苯，厚度為30nm，封裝層為蟲膠。用該結構可實現高壽命高穩定性的場效應晶體管。
[0069]制備方法如同實施例1.
[0070]實施例6:
[0071]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底為蟲膠，柵電極、源電極和漏電極均為銀納米線，加入了20%的蟲膠和30%的水溶性粘合劑聚乙烯醇，介電層采用云母片，厚度為5nm，半導體層為氧化石墨烯，厚度為50nm，封裝層為蟲膠。用該結構可實現尚壽命尚穩定性的場效應晶體管。
[0072]制備方法如下:
[0073]①先對云母片進行徹底的清洗，清洗后干燥；
[0074]②在云母表面采用打印技術制備銀納米線柵電極2，并對其進行固化；
[0075]③在所述柵電極2上面制備蟲膠層，并迅速提高器件加熱溫度到70°C?90°C，使得蟲膠層熱熔狀態，使其與柵電極和云母片緊密粘合在一起，冷卻，使蟲膠層作為襯底I;
[0076]④對所述襯底I進行機械剝離，將襯底I，柵電極2以及云母片剝離下來，從而在柵電極2上面形成一層幾個分子層厚的云母介電層3;
[0077]⑤在介電層3上采用旋涂方法制備氧化石墨烯半導體層4;
[0078]⑥在半導體層4上采用打印技術制備銀納米線源電極5和銀納米線漏電極7;
[0079]⑦在源電極5和漏電極7上面制備蟲膠層，作為封裝層6;
[0080]⑧迅速提高器件加熱溫度到70°C?90°C，使得蟲膠熱熔狀態，使封裝層的蟲膠與襯底的蟲膠熱熔到在一起，然后加熱蟲膠到熱聚合溫度120°C?150°C，使得蟲膠發生熱聚合反應，進而固化為一體，起到封裝作用。
[0081 ] 實施例7:
[0082]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底為蟲膠，柵電極、源電極和漏電極均為銀納米線，加入了 10%的蟲膠和30%的水溶性粘合劑明膠，介電層采用六方氮化硼，厚度為Snm，半導體層為含硅氧烷的聚異戊二烯衍生物，厚度為SOnm，封裝層為蟲膠。用該結構可實現高壽命高穩定性的場效應晶體管。
[0083]制備方法如同實施例6。
[0084]實施例8:
[0085]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底為蟲膠，柵電極、源電極和漏電極均為金納米線，加入了 10%的蟲膠和30%的水溶性粘合劑明膠，介電層采用絲素蛋白片，厚度為8nm，半導體層為氧化鋅，厚度為lOOnm，封裝層為蟲膠。用該結構可實現高壽命尚穩定性的場效應晶體管。
[0086]制備方法如同實施例6。
[0087]實施例9:
[0088]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底為蟲膠，柵電極、源電極和漏電極均為鎳納米線，加入了 10%的蟲膠和30%的水溶性粘合劑聚乙烯醇，介電層采用云母片，厚度為10nm，半導體層為氧化石墨烯，厚度為80nm，封裝層為蟲膠。用該結構可實現尚壽命尚穩定性的場效應晶體管。
[0089]制備方法如下:
[0090]①先對云母片進行徹底的清洗，清洗后干燥；
[0091]②在云母表面采用打印技術制備銀納米線柵電極2，并對其進行固化；
[0092]③在所述柵電極2上面制備蟲膠層，并迅速提高器件加熱溫度到70°C?90°C，使得蟲膠層熱熔狀態，使其與柵電極和云母片緊密粘合在一起，冷卻，使蟲膠層作為襯底I;
[0093]④對所述襯底I進行機械剝離，將襯底I，柵電極2以及云母片剝離下來，從而在柵電極2上面形成一層幾個分子層厚的云母介電層3;
[0094]⑤在介電層3上噴涂方法制備氧化石墨烯半導體層4;
[0095]⑥在半導體層4上采用打印技術制備銀納米線源電極5和銀納米線漏電極7;
[0096]⑦在源電極5和漏電極7上面制備蟲膠層，作為封裝層6;
[0097]⑧迅速提高器件加熱溫度到70°C?90°C，使得蟲膠熱熔狀態，使封裝層的蟲膠與襯底的蟲膠熱熔到在一起，然后加熱蟲膠到熱聚合溫度120°C?150°C，使得蟲膠發生熱聚合反應，進而固化為一體，起到封裝作用。
[0098]實施例10:
[0099]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底為蟲膠，柵電極、源電極和漏電極均為金納米線，加入了20%的蟲膠和10%的水溶性粘合劑明膠，介電層采用六方氮化硼，厚度為10nm，半導體層為3-已基噻吩，厚度為80nm，封裝層為蟲膠。用該結構可實現1?壽命1?穩定性的場效應晶體管D
[0100]制備方法如同實施例9。
【主權項】
1.一種場效應晶體管的制備方法，其特征在于，該場效應晶體管從下到上依次為襯底、柵電極、介電層、半導體層、源電極和漏電極、封裝層，所述介電層為二維可剝離的介電材料，所述柵電極、源電極和漏電極為金屬納米線復合材料，所述二維可剝離的介電材料為絲素蛋白、云母或六方氮化硼中的一種，所述金屬納米線復合材料由以下重量百分比的材料構成:金屬納米線40%?80%，蟲膠10%?30%，水溶性粘合劑10%?30% ； 制備方法如下: ①先對二維可剝離的介電材料進行徹底的清洗，清洗后干燥； ②在介電材料表面涂覆金屬納米線復合材料作為柵電極，并對其進行固化； ③在柵電極上面制備蟲膠層，并迅速提高器件加熱溫度，使得蟲膠層熱熔狀態，使其與柵電極和介電材料緊密粘合在一起，冷卻，使蟲膠層作為襯底； ④對襯底進行機械剝離，將襯底，柵電極以及介電材料剝離下來，從而在柵電極上面形成介電層； ⑤在介電層上制備半導體層； ⑥在半導體層上制備源電極和漏電極； ⑦在源電極和漏電極上面制備蟲膠層，作為封裝層； ⑧迅速提高器件加熱溫度，使得蟲膠熱熔狀態，使封裝層的蟲膠與襯底的蟲膠熱熔到在一起，然后加熱蟲膠到熱聚合溫度，使得蟲膠發生熱聚合反應，進而固化為一體，起到封裝作用。2.根據權利要求1所述的基一種場效應晶體管的制備方法，其特征在于，步驟③、⑦中，蟲膠層采用旋涂法或滴涂法制備，步驟③、⑧中，蟲膠熱熔狀態加熱溫度為70°C?90°C，步驟⑧中，蟲膠熱聚合為120°C?150°C，加熱時間為0.5h?Ih。3.根據權利要求1所述的一種場效應晶體管及其制備方法，其特征在于，步驟②和⑥中，柵電極、源電極、漏電極是通過絲網印刷或打印方法制備，所述步驟⑤中，所述半導體層是通過等離子體增強的化學氣相沉積、熱氧化、旋涂、真空蒸鍍、輥涂、滴膜、壓印、印刷或噴涂中的一種方法制備。4.根據權利要求1所述的一種場效應晶體管的制備方法，其特征在于，介電層厚度為5nm?10nmo5.根據權利要求1所述的一種場效應晶體管的制備方法，其特征在于，所述蟲膠為脫蠟蟲膠。6.根據權利要求1所述的一種場效應晶體管的制備方法，其特征在于，所述金屬納米線材料為鐵納米線、銅納米線、銀納米線、金納米線、招納米線、鎳納米線、鈷納米線、猛納米線、鎘納米線、銦納米線、錫納米線、鎢納米線或鉑納米線中的一種或多種。7.根據權利要求1所述的一種場效應晶體管的制備方法，其特征在于，所述的水溶性粘合劑為明膠或聚乙烯醇中的一種或兩種。8.根據權利要求1所述的一種場效應晶體管的制備方法，其特征在于，所述半導體層為氧化鋅、氧化錫、碳納米管、氧化石墨烯、聚3-已基噻吩，6，13-雙(三異丙基硅烷基乙炔基)并五苯或含硅氧烷的聚異戊二烯衍生物中的一種，所述半導體層厚度為30nm?10nm0
【文檔編號】H01L21/336GK105931971SQ201610548403
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月13日
【發明人】于軍勝, 莊昕明, 韓世蛟, 鄭華靖
【申請人】電子科技大學